Расчетно-экспериментальные исследования течения газа в тангенциальных выходных устройствах турбомашин и создание математической модели для их расчета и оптимального проектирования

Центробежные компрессоры применяются для обеспечения различных производственных процессов, таких как черная и цветная металлургия, нефтехимическое производство, производство пластмасс. Актуальность исследований течения газа в элементах проточной части центробежных компрессоров связана с тем, что на их привод затрачивается большое количество энергии, в связи с этим важным является достижение максимального возможного КПД и повышение КПД даже на 0,5% приводит к значительной экономии энергии. Тангенциальные выходные устройства является одним из важнейших и неотъемлемых элементов центробежной компрессорной ступени. В них газ собирается за последней ступенью компрессора и направляется в трубопровод к потребителю. Кроме того, в них же может преобразовываться кинетическая энергия газа в давление. Конструктивно тангенициальные выходные устройства разделяются на улитки и сборные камеры. Внутри себя они подразделяются по форме проходного сечения (круглые, трапециевидные и т.д.), по характеру изменения диаметра (с постоянным внутренним диаметром, постоянным наружным диаметром и с переменными обоими диаметрами) и многим другим факторам. На это накладывается сложный характер течения в тангенциальных выходных устройствах. Поток вращается, как вокруг оси ротора компрессора, так и вдоль своей траектории. Такое спиральное течение, наложенное на его диффузорный характер и нестационарность его входа в тангенциальное выходное устройство приводит к значительным вихревым зонам и отрывам потока. В конце 70-х – 90 гг проводились экспериментальные исследований различных вариантов тангенциальных выходных устройств и были выработаны рекомендации по их проектированию. Однако большая стоимость экспериментальных исследований не позволила рассмотреть все многообразие вариантов формы и размеров тангенициальных выходных устройств. На современном этапе развития вычислительных технологий можно с большой степенью достоверности заменить экспериментальные исследования численным моделированием. При проектировании центробежных компрессоров используются специализированные инженерные математические модели. Это позволяет сократить количество натурных испытаний и сроки и стоимость проектирования нового оборудования. В представляемой работе планируется на основании комплексных расчетно-экспериментальных данных выработать рекомендации по оптимальному газодинамическому проектированию тангенциальных выходных устройств и разработать математическую модель, описывающую параметры газа в них. Модель будет разработаны на основе обработки большого объема численных исследований элементов проточной части турбомашин (более 1000 вариантов исполнения). Численные исследования будут проводится при помощи CFD-расчетов. Для того, чтобы гарантировать корректность полученных результатов CFD-расчетов, необходимо провести их верификацию. Получающаяся в результате CFD-расчета картина течения и газодинамические характеристики исследуемого объекта значительно зависят от постановки расчета. Верификация CFD-расчетов будет проведена как на основе анализа картины течения, получающейся в результате расчетов, так и на основе сопоставления рассчитанных характеристик с результатами экспериментальных исследований, в том числе на стенде ЭЦК-55, имеющимся в распоряжении исполнителя проекта. Целью работы является исследование газодинамических характеристик и течения газа в тангенциальных выходных устройствах центробежных компрессоров при помощи CFD-расчетов и разработка математической модели, интегрирование ее в программы оптимального газодинамического проектирования турбомашин и расчета их газодинамических характеристик, экспериментальная проверка эффективности разработанной программы.